VC++与Matlab混合编程实现光场光强的三维显示

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摘 要：基于VC++开发环境和Matlab引擎函数,实现了激光衍射光场光强的三维动态显示.给出了实现过程和实验结果并进行了讨论.

关 键 词：VC++；Matlab；引擎函数库；三维显示；衍射

中图分类号：TP391文献标识码：B文章编号：1009-3044(2012)08-1906-03

TheRealizationofThreeDimensionDisplayofOpticalFieldbyMixedProgrammingofVC++andMatlab

YANGRu-chao

(SchoolofElectricalEngineering,TonglingCollege,Tongling244000,China)

Abstract:ThreedimensiondynamicdisplayoflaserdiffractionlightintensityisrealizedbythemethodbasedonthedevelopmentenvironmentofVC++andenginefunctionsofMatlabinthepaper.Therealizationstepsandtheresultarepresentedandtheresultisdiscussed.

Keywords:VC++,Matlab,enginefunctionslibrary,threedimensiondisplay,diffraction

科研与工程实际中常常需要实时测量光场的光强分布规律,目前市场上尚无这方面的测量设备,本文结合实验室已有的设备进行了进一步开发,开发中采用了面阵CCD技术以及VC++与Matlab混合编程技术.

1MATLAB与VC++应用程序接口

1.1MATLAB与VC++应用程序接口

MATLAB与VisualC++之间有4种常见的接口：

1)在VisualC++程序中利用MATLAB引擎来调用MATLAB函数；

2)将MATLAB程序编译成MEX文件,与VC程序进行链接；

3)VisualC++程序直接利用MATLAB数学库调用MAILAB函数；

4)将MATLAB下的.m文件转换成VC可调用动态链接库（DLL）.

方法1)、2)生成的程序需要在安装了Matlab软件的系统中运行,而由方法3)、4)生成的程序可以脱离Matlab环境.

本文采用的是方法1）,即VisualC++调用MATLABengine.MATLABengine是一组函数,通过调用这组函数,用户可以在程序中实现对MATLAB的控制,完成计算或者绘制图形的任务,此时MATLAB软件就相当于一个计算引擎.

1.2MATLAB引擎程序建立

下面介绍如何在C/C++中调用MatlabEngine

1)在工程中加入MatlabEngine的头文件路径和库文件路径

在菜单中选择Tools->Options->Directories,添加engine.h所在的路径,在笔者的计算机上路径是D:\MATLAB6p5\extern\include.类似的,在这个对话框的“Showdirectorieor:”下拉菜单中选择LibraryFiles,然后添加库文件的路径,路径是D:\MATLAB6p5\extern\lib\win32\microsoft\msvc60.

2)接下来设定工程属性,在菜单中选择Project->Settings->Link,在Object/LibraryModules中加入库文件链接libmx.lib,libmex.

lib,libeng.lib.

程序执行时后台会启动一个Matlab进程,这是与Client通信的Server端,如果希望隐藏这个窗口,需要在代码中加入这样一句：

engSetVisible(ep,0),

1.3MATLAB引擎函数

在Matlab引擎函数库中,共提供了13个C语言引擎函数.这些引擎函数在头文件engine.h中进行了声明.下面是6个常用引擎函数：

1)engOpen:启动Matlab引擎；

2)engClose关闭Matlab引擎；

3)engGetVariable:从Matlab工作空间中获取一个变量；

4)engEvalString:执行一个用字符串表示的Matlab表达式；

5)engOutputBuffer:确定存放Matlab输出结果缓冲区域；

6)engPutVariable:将mxArray结构体类型变量输送到Matlab工作空间中,并命名mxArray结构体类型变量.

2三维显示程序的创建

该研究的应用背景立足于激光衍射光场光强的三维图像信息的抽取,需要进行三维图像的显示和数字滤波的实现.在Matlab的运行环境下,三维图象的显示只需要一个函数mesh()就可以实现.假设图象数据存放在iTemp二维数组中,VC与Matlab间的数据交换是通过Matlab引擎进行的.Matlab提供一种专门的对象类型数组mxArray完成数据传递的任务.这里注意的是Matlab的数据是按列存储的.部分程序如下：

inti,j,

doubleiTemp[300][740],

doublearray[740*300],

Engine*ep,

mxArray*T等于NULL,

//将二维数组iTemp的数据存储到一维数组array中f

or(i等于0,i<300,i++)

for(j等于0,j<740,j++)

array[j+i*740]等于iTemp[i][j],

//开始启动matlab引擎

if(！(ep等于engOpen(NULL)))

{

MessageBox((HWND)NULL,(LPSTR)"Can’tstartMATLABengine",

(LPSTR)"VC_MATLAB",MB_OK),

exit(-1),

}

//矩阵的构造与赋值

T等于mxCreateDoubleMatrix(740,300,mxREAL),

memcpy((char*)mxGetPr(T),(char*)array,740*300*sizeof(double)),

//将变量T输入到matlab工作空间

engPutVariable(ep,"T",T),

//通过matlab引擎库的库函数engEvalString()调用内建的绘图函数

engEvalString(ep,"mesh(T.’),"),

//关闭matlab引擎

engClose(ep),

//析构结构体变量T

mxDestroyArray(T),

3实验结果与讨论

实验装置见图1,选用交流电子稳压电源,可以提高激光器的稳定性.用偏振光减光器来调节激光光强,以便于CCD器件的采集.为了得到较好质量的三维光强分布曲线,可以在单缝与激光器之间放入一个小孔光阑限制激光束的大小.实验在暗环境中进行.光屏与单缝之间的距离尽可能的满足远场条件,缝宽在0.05~0.1mm时,Z>1m即可,这样就可以得到近似的夫琅和费衍射.

图1测量装置示意图

上述三维显示程序是整个系统软件的一个部分,我们采用CCD摄像头对单缝衍射光场进行采集,再通过调用三维显示程序,就可以很形象的显示出三维光强分布,如图2,Z轴表示衍射光场光强的灰度值大小,X轴和Y轴表示衍射光场的列数与行数.通过工具栏上的旋转按钮可以进行任何视点角度的观察.调用三维显示程序,能更准确,快速,方便的定量描述光的衍射.

从图2可以得知,当x等于0时,光强为主极大值,光强最强,说明绝大部分的光能都落在明纹上,暗条纹是以明纹为对称轴的左右对称分布的,明纹两侧的亮纹强度逐次减弱,除了一级亮纹和二级亮纹之外,其他级次的亮纹都不明显,近似为0.

图2激光衍射光强三维图

4小结

混合编程是综合使用多种开发工具技术优势的一种常用手段,本文通过对VC++和Matlab的集成开发,实现了对二维衍射光场光强的三维效果显示.Matlab具有强大的信号处理函数库能实现信号生成、信号重抽样、各种积分变换等,对衍射光场光强的数据的进一步处理提供了极大的方便.